前言：自中国的歼-20战斗机首飞之后，立即在全球范围内掀起了一股研发隐身战斗机的热潮，但无论是土耳其的可汗，韩国的KF-21，还是其余十几个国家的隐身战斗机计划，大多数照搬F-22战斗机的气动布局，没有一个国家愿意学习歼-20战斗机的气动布局，这是为什么呢？
一：F-22战斗机的隐身设计
80年代以后，超视距空战逐渐成为主流，F-22战斗机正是针对超视距空战而设计的战斗机，其中最核心的技术优势就是隐身性能，隐身性能能够大大削弱对方探测能力，大幅度提高战斗机在空战中以及空对地作战中的生存机会，是第四代战斗机最重要的性能水平评判标准，所谓的隐身包含了雷达隐身、红外隐身、射频隐身和声隐身，雷达波是一种直线传播的电磁波，可反射，折射，衍射，雷达波照射到物体后反射回的能量可用截面积表示，也可以用db表示，雷达波返回相当于10m物体的能量就等于10db。
目标截面积越大，雷达就在越远的距离上探测到，如果雷达截面积缩小到1/100，发现距离会缩小到32%，F-22战斗机主要采取外形修饰降低在L、S.X、Ku波段雷达的反射面积，直接反射回的雷达波叫镜面反射，通过修整外形改变镜面的角度，让雷达波反射到不重要的方向，如将垂直尾翼改成倾斜双垂尾和偏置雷达天线等。需要注意的是外形修饰只是将雷达波从一面反射到另外一面，意味着一面隐身另一面就极不隐身，全向隐身对战斗机是不可能的，极不隐身的一面可以通过隐身涂层缓解30db左右雷达照射尖峰值，再通过设计将这些尖峰值集中在雷达很难照射到的8个小角度特定方向。
即使被照射到了只要改变航姿航向，雷达只接收到一个短暂的尖峰信号，会当做干扰而滤除，尖峰信号当然越少越好，但涉及气动布局设计，影响动力和操作性，需要权衡取舍，当雷达波射到飞机边缘时，就会形成有无数条绕射线的散射场，要消除就要采用连续的整体蒙皮和将机翼做成后掠式，F-22战斗机采取了整体蒙皮技术，机翼、尾翼的前后缘，进气道口、机舱的开槽设置为平行方式，机翼边缘正面的反射波都集中在了四个方向，使得左右士45"，俯仰士10°的正面反射为0.03-0.05平方米。
二：F-22战斗机的隐身涂料
不过，外形修整只是将雷达波折射到不重要的方向，并不能完全解决隐身问题，还需要吸收雷达波的隐身涂层，F-22战斗机使用的就是铁氧体隐身涂料，是第一代隐身涂层，可以降低20~30db反射面积，但非常不耐用，为了对付多种雷达波段，铁氧体隐身涂料得涂很多层，涂到火控雷达的三厘米波长范围内已经是又厚又重，太阳曝晒下会先龟裂掉粉，继而大块的剥落，高速下在空气分子的摩擦和飞行震动下也会产生裂痕容易脱落，隐身涂层每次飞行后都要做一两天的保养，如果发现有龟裂掉粉就要重新喷漆。
重新喷漆先要去除旧涂层，隐身涂层为了防止脱落，是用超强黏合剂牢固地贴附在机体上的，去除时相当不易，很费时间，重新喷漆后还要将大部分的舱口盖缝隙用特制的胶带将贴上，这项工作很麻烦也很费时间，由于F-22战斗机飞行维护成本太高，第三代战斗机飞行员每月可飞行40至60小时，而F-22战斗机飞行员每个月只能飞行12至14小时，为了减缓涂层老化，停放时只能放在恒温恒湿的机库里，现在F-22战斗机喷涂的隐身涂料是F-35战斗机，但这种新一代的隐身涂料也有问题，经常发生大面积脱落。
F-22战斗机采取外形修饰和吸波涂层后，雷达反射面积只有0.01平方米，而F-15战斗机则达12平方米，预警雷达对F-22战斗机探测范围只有不到20千米，F-22战斗机如果被雷达发现，雷达会当其是飞鸟而自动过滤掉，但这只是极小值，不同波段雷达和不同的方向对F-22战斗机的发现距离不一样，F-22战斗机对米波搜索雷达效果不好，在波长40厘米时的F-22机头雷达截面积是0.4~3平方米，机身侧向是10平方米，波长2米时机头达10平方米，米波段为1~5平方米，分米波波段为0.1~1平方米，要对米波雷达隐身就要加厚到飞机飞不起来，不过米波雷达分辨率非常差，无法精确定位。
对于常见工作波长为2.4-3.75厘米的防空导弹制导雷达，对5平方米目标最大跟踪距离为37千米，对0.0001平米-0.01平米的F-22战斗机跟踪距离只有6-10千米，常见的机载火控雷达都是厘米波段，对5平方米目标的探测距离为120~150千米，跟踪距离为80~100千米，在无干扰时对F-22战斗机探测距离只有20~35千米，跟踪距离不过13~25千米，F-22战斗机在50千米外就可以发射AIM-120C空空导弹，这时敌方战斗机雷达还没发现F-22战斗机，等敌方战斗机能够看见F-22战斗机时，F-22战斗机已经脱离战斗，这就是F-22战斗机在空战中的绝对优势。
三：歼-20战斗机的隐身设计
歼-20战斗机的外形隐身设计几乎和F-22战斗机一模一样，菱形机头，大量运用倾斜面，正面看略显偏窄，侧面看稍显厚实，这样就抑制了镜面反射和角反射体反风挡玻璃镀有反射膜，阻断了座舱内部的角反射体反射，机身没有面朝前方和侧面的正垂直面，机身机翼线条都相互平行，没有未经处理过的凹槽，所有气动面之间没有出现90”夹角，口盖和缝隙都被设计成锯齿型，正面纵轴30度内雷达反射面积001-0.03平方米，正侧面为0.2-0.4平方米，歼-20战斗机在研制早期就跳过了铁氧体隐身涂料，采用了四川成都中科院光电技术研究所的SH6复合多元膜。
这种材料表层是0.8毫米的印刷电路板，内层是0.04毫米的半导体和铜片，底层是7毫米的蜂窝状材料与机体隔离开，还极大降低机体红外辐射波，膜的总厚度只有铁氧体隐身涂料的十分之一，每平方米仅重0.7千克，通电后可以吸收各种波段，而且可以在0.7到1.9GHz的波段之间调整，可使8~40GHz频段内的雷达波衰减10-15db，北约防空预警雷达工作频率是0.3到1GHz，萨德反导系统雷达也只在10GHz，高频雷达也不会超过20GHz，这种还极大降低红外辐射波，这是全世界最好的隐身材料，飞行后不用保养，普通机库就可以随便放。
离子体可以吞噬电磁波，电磁波被吞噬后就无法传出，让战机突然从对方雷达幕上消失，这个技术是美国在70年代先发现的，但美国始终无法解决高耗能与设备巨大的问题最终放弃，2019年的第十五届中国航空学会青年科技奖获得者是空军工程大学吴云的等离子技术，歼-20战斗机在进气道入口有等离子贴片，产生的等离子体可使进气道雷达反射面积减少到原来的0.1%，进气道由许多细小零件和各种曲折形状叶片组成，几乎可以完整地反射雷达波，是飞机雷达回波最明显的地方，F-22战斗机的加莱特进气道在80年代是最先进的技术，权衡了隐身性能和进气性能。
但需要附面层隔离装置和配套的排气孔和放气门，这些装置增加了不小重量，但超音速状态下总压恢复系数好，超音速总压恢复系数是由进气道出口处气流的总压与来流总压的比，一般总压恢复系数都小于1，如果总压恢复系数小，冲压比就会减小，大的恢复系数意味着能够良好的适应作战环境，F-22战斗机在1.8Ma速度下为0.88~0.90，2.0Ma速度下为0.83以下，而歼-20战斗机的DSI进气道取消了附面层隔道、泄放系统和旁路系统，用鼓包阻挡了凹腔体散射，总压恢复系数在1.8Ma是0.96。2.0Ma速度下为0.92，但DSI进气道需要非常复杂的风洞计算，这世界也只有中美能搞得了。
座舱有一大堆仪表、按钮以及飞行员身上的金属物品，雷达波会在座舱内会形成强烈的反射源，普通飞机玻璃舱盖就算在舱盖上镀一层钢锡金属镀膜也难以全部过滤渗透进的雷达波，设计隐身战斗机要兼顾座舱系统分布和电磁兼容，F-22战斗机的座舱盖受限于早期技术条件和工艺上的不足，采用注射成型技术再镀上一层膜，歼-20战斗机的座舱盖是一体成型，这个座舱盖也只有中国可以制造，美国当然也可以，但隐身、透光、保温上都要弱一些，总的来说歼-20战斗机的外形隐身设计上比F-22战斗机有2-3db的优势。
四：歼-20战斗机的弱点设计
除了高度隐身能力，歼-20战斗机的设计还要求有高机动格斗能力，在发动机还没跟上的情况下，歼-20战斗机2.1-2.2的升力系数远高于F-22战斗机的1.7升力系数，阻力系数比F-22战斗机小10%，滚转时在速度没变化，高度快速增加情况下每秒机头可转向60度，盘旋时每秒达45度，速度近120米/秒，爬升率超过500米/秒，所有飞行包线都达到了一级品质，敏捷性和操控性可“秒杀”全世界所有现役战斗机，这一切都归功于比一般飞机复杂得多的升力体加边条翼加鸭翼加V型全动式垂尾的气动布局，这种布局"除了继承了鸭翼和边条的升力效果外，还提升了超音速飞行性能和涡流的控制和使用程度,。
歼-20战斗机的鸭翼可以说是战斗机的巅峰设计，鸭翼产生的涡流吹至垂尾时，可以整体"转动”的垂尾将涡流挡在垂尾周围，鸭翼和垂尾的总面积接近机翼翼面积的一半，三者持续做功产生升力，在大迎角时非常有利于盘旋，起飞降落时也会提供非常大的正升力，让歼-20拥有了良好的短距起飞和降落的能力，但鸭翼会破坏机体隐身，F-22战斗机在设计之初就考虑过使用鸭翼技术，但是由于技术水平和资金不允许导致被否决，中国通过研制歼10战斗机已经克服了鸭翼的数字模型和气动设计等难关。
歼-20战斗机按照边缘俯视投影平行原则设计的鸭翼结构面积和修形做到了尽善尽美，前后边缘吸波尖劈结构，被鸭翼前缘反射的雷达波不会继续照射到机翼前缘，整体采用了雷达信号特征比金属材料小得多的碳纤维增强高性能复合材料，隐身特性和常规布局相当，巡航飞行时计算机还会根据机身姿态给出鸭翼实时角度和合理的偏转角度，飞行员可根据情况让鸭翼上反，机翼下反，高隐身状态下鸭翼一般不偏转，隐身要求不高的大机动或近距格斗，鸭翼才会大角度编转。
歼-20战斗机独特的腹鳍也被认为是破坏隐身，但这腹鳍是点睛之笔的专业气动设计，它巧妙地提高了飞机的操纵性，增加航向的稳定性以及大迎角机动下的气动效率，同时也敷设有可以降低5dB~10dB雷达反射面积的隐形材料，并不会拉高侧向及尾部的雷达反射面积，最重要一点是能够遮蔽发动机喷管，歼-20战斗机的后半球隐身效果比F-22战斗机差，主要靠在发动机尾喷口高温涂层和锯齿修形，锯齿可以能将雷达波“发射”到其它角度，能够有效抑制X波段和Ku波段，同时扩大喷管的出口，增加冷却气流，这样就可以降红外特征。
五：结语
歼-20战斗机集先进的隐身性、综合航电系统和超机动性于一身，是中国航空工业的呕心沥血之作，每一个细节都有独有的奥秘，设计之复杂不是随便一个国家能造出来的，仅升力体加边条翼加鸭翼加V型全动式垂尾的气动布局吹风洞就没任何一个国家能办到，而且还要各种隐身修型，舱盖锯齿计算，难度太高，相反F-22战斗机的气动布局就简单得多(其实也不简单，克希德公司在研发时共吹2.5万小时的风洞)，很多修型可直接照搬，尽管如此，土耳其的可汗，韩国的KF-21也要拿去美国吹风洞，这两型所谓的隐身战斗机纯粹就只有个外形是第四代战斗机的样子，无论是隐身涂料，发动机，航电都是次货。
而且制造歼-20战斗机的金属3D打印技术，液态金属电磁约束成形技术，超塑成形/激光焊接技术，钛合金、超高强度钢技术都是顶尖技术，使歼-20的空机重量成功的控制在15吨，而F-22战斗机主承力框体超出了西方的4-6万吨级模锻压机加工能力，只好分成几个部分分别锻造后焊接，焊接时还要焊缝处留出强度余量，太过复杂的机身承力结构采取铸造法，但铸造件尺寸精度低，容易产生气泡、沙眼、疏松，又要加大设计余量，这导致了F-22战斗机比歼-20战斗机短2米，但重量达19吨，美国都这样了，其他国家更不用说了，就算设计出歼-20战斗机，他们也造不出，所以还是学F-22战斗机容易多了。
发表于 2024-4-6 16:31:33
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